鍋爐用特厚13MnNiMoR鋼板的研制

歐陽鑫 孫殿東 胡昕明 王 勇 王 儲 邢夢楠

(鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009)

13MnNiMoR鋼是中溫壓力容器用鋼，廣泛用于石化行業(yè)設(shè)備，如電站鍋爐汽包等。目前，壓力容器的單體容量不斷增大，需采用性能更好的特厚鋼板制造[1- 2]。鞍鋼股份有限公司結(jié)合現(xiàn)有的工藝裝備和生產(chǎn)能力，采用真空電子束焊接技術(shù)制備特厚連鑄坯替代傳統(tǒng)的鋼錠，解決了鋼錠成材率低、成本高、性能不均勻等問題，成功開發(fā)出了具有良好力學(xué)性能的壓力容器用150 mm厚13MnNiMoR鋼板[3]，若通過國家容器標(biāo)準(zhǔn)委員會檢驗認證，鞍鋼將獲得特厚13MnNiMoR鋼板的批量生產(chǎn)資質(zhì)。

1 主要技術(shù)要求

1.1 化學(xué)成分

根據(jù)GB 713—2014，13MnNiMoR鋼的化學(xué)成分列于表1。

表1 13MnNiMoR鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))

1.2 力學(xué)性能

13MnNiMoR鋼板的力學(xué)性能應(yīng)符合GB 713—2014要求，檢驗方向均為橫向。

1.3 交貨狀態(tài)及探傷要求

為解決特厚鋼板正火和回火后心部沖擊性能離散、模擬焊后熱處理后強度達不到標(biāo)準(zhǔn)要求等問題，與客戶協(xié)商后，將鋼板交貨狀態(tài)改為調(diào)質(zhì)態(tài)，并按NB/T 47013.1—2015進行超聲波探傷，達到I級水平。

表2 150 mm厚13MnNiMoR鋼板的力學(xué)性能要求

2 13MnNiMoR特厚鋼板的研發(fā)思路及過程

2.1 工藝流程

采用真空電子束焊接技術(shù)焊接連鑄坯，然后軋制成150 mm厚的鍋爐汽包用鋼板，其工藝流程如圖1所示。

圖1 生產(chǎn)150 mm厚13MnNiMoR鋼板的工藝流程圖

2.2 冶煉及澆鑄

冶煉工藝：鐵水經(jīng)深脫硫預(yù)處理，然后采用頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉；從轉(zhuǎn)爐出鋼后，分別進行脫氧處理；LF處理，盡可能降低磷、硫含量，按表1成分范圍的中值進行微調(diào)；VD真空精煉處理。

澆注工藝：真空處理后，鋼水在惰性氣體保護下經(jīng)300 mm厚板坯連鑄機澆注；中間包過熱度為10～25 ℃，恒溫恒速拉鋼，采用電磁攪拌和輕壓下技術(shù)；連鑄坯下線后立即入保溫坑堆垛緩冷48 h以上。

2.3 真空電子束焊接

對連鑄坯上、下表面及側(cè)面進行修磨處理，以消除表面的明顯缺陷；之后將兩塊連鑄坯置于緩冷坑預(yù)熱2 h，以防止連鑄坯由于厚度方向的溫差導(dǎo)致變形，難以實施焊接[4]。當(dāng)連鑄坯溫度達到300 ℃左右時，對中后送入真空室，真空度達到101.33 kPa時，靜置0.5 h后實施焊接，以保證焊縫連續(xù)、均勻、完整。焊后將連鑄坯送入緩冷坑冷卻。焊后連鑄坯如圖2所示。

圖2 真空電子束焊接的連鑄坯

2.4 軋制

將焊接的連鑄坯上、下表面加蓋冷軋板，目的是減少加熱過程中板坯表面的氧化，確保軋制前高壓水一次除磷的效果，提高板坯的表面質(zhì)量。采用三階段加熱制度，將連鑄坯隨爐緩慢升溫到800 ℃，保溫6 h，在7 h內(nèi)升溫到1 250 ℃，保溫8 h。該加熱工藝能保證連鑄坯溫度均勻，并消除焊接應(yīng)力，防止連鑄坯開裂[5]。

采用兩階段控軋工藝軋制鋼板，始軋溫度 ≥1 150 ℃，軋前用高壓水充分除磷；采用高溫大壓下、低速工藝粗軋，以焊合鑄坯內(nèi)的缺陷；粗軋壓下量為65%，以增加奧氏體內(nèi)儲存的變形能，為后續(xù)實現(xiàn)晶粒細化做準(zhǔn)備[6]；精軋始軋溫度為900～880 ℃，避開混晶溫度區(qū)和再結(jié)晶區(qū)，進一步細化晶粒，提高強度，終軋溫度為820～800 ℃；因熱處理工藝為離線調(diào)質(zhì)處理，故省略了熱軋后ACC層流冷卻過程，改為空冷，降低了成本。

2.5 堆垛緩冷及熱處理工藝

鋼板軋制下線后堆垛緩冷，以使鋼板中氫元素充分擴散，提高鋼板的塑性和內(nèi)在質(zhì)量，防止表面開裂。緩冷坑溫度不低于400 ℃，緩冷時間不少于48 h，以充分消除鋼板的殘余應(yīng)力。

3 結(jié)果及分析

3.1 力學(xué)性能

測定了鋼板不同厚度處的常溫拉伸性能和0 ℃沖擊性能，結(jié)果列于表3。

表3 13MnNiMoR鋼板的力學(xué)性能

由表3可知，鋼板具有較好的強韌性，各項指標(biāo)均有較大裕量，屈服強度裕量達90 MPa，抗拉強度裕量達50 MPa，斷后伸長率約為25%，0 ℃沖擊吸收能量的裕量達150 J左右，且厚度方向的差異較??；彎曲試驗合格，表明鋼板具有良好的可加工性。較大的力學(xué)性能裕量可保證鋼板經(jīng)過模擬焊和熱處理后的性能仍滿足要求，大大提高了設(shè)備的安全性。

鋼板的高溫屈服強度列于表4。由表4可知，鋼板不同厚度處的高溫強度均符合要求。13MnNiMoR鋼也被稱為汽包鋼，長期在300～400 ℃的高壓蒸汽中服役，高溫拉伸性能是一項重要指標(biāo)，也是制訂封頭、筒體的熱加工工藝的依據(jù)[8]。

表4 13MnNiMoR鋼板的高溫屈服強度

3.2 探傷結(jié)果及鋼板厚度方向拉伸性能

對鋼板進行了超聲波探傷，結(jié)果符合NB/T 47013.1—2015中的I級。鋼板不同厚度處的斷面收縮率列于表5。

表5 13MnNiMoR鋼板厚度方向的斷面收縮率

表5結(jié)果表明:特厚13MnNiMoR鋼板具有良好的抗層狀撕裂性能，厚度方向的拉伸性能超過了最高等級Z35的要求。汽包的制作，無論是封頭還是筒體的組裝，均涉及焊接工藝。理論上，鋼板越厚，夾雜物等缺陷越多，焊縫也越厚，焊接應(yīng)力和變形越大，越容易在厚度方向發(fā)生層狀撕裂。采用優(yōu)化的冶煉工藝大大提高了鋼的純凈度；連鑄坯是在較低的真空度下實施焊接的，能嚴格控制焊接界面的氣體及雜質(zhì)含量。這些措施確保鋼板厚度方向的斷面收縮率得以提高，使150 mm厚的13MnNiMoR鋼板仍具有良好的抗層狀撕裂性能[9]。

3.3 鋼板的顯微組織

鋼板不同部位的晶粒度及顯微組織如圖3和表6所示。

圖3 13MnNiMoR鋼板上表面(a)和1/4(b)、1/2(c)、3/4(d)厚度處以及下表面(e)的顯微組織

表6 13MnNMoR鋼板不同部位的晶粒度

可見，鋼板厚度方向上晶粒細小、均勻。鋼板組織均為回火貝氏體，心部和焊接界面均沒有明顯的分層現(xiàn)象。

4 結(jié)論

(1)采用真空電子束焊接技術(shù)焊接由連鑄坯軋制的150 mm厚13MnNiMoR鋼板，具有良好的強韌性和抗層狀撕裂性能，其力學(xué)性能滿足GB 713—214要求。

(2)150 mm厚13MnNiMoR鋼板晶粒均勻細小，顯微組織為回火貝氏體。